DE19706626A1 - Abgassystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine, mit einer Hauptabgas­ leitung und einer Nebenschluß-Abgasleitung, mit einer bei niedriger Maschinenlast (Teillast) in ihre Wirkstellung bewegbaren, die Hauptabgasleitung verschließenden Abgasdrossel, und einem in der Nebenschlußleitung angeordnetem Ventil.

Bei verbrauchsgünstigen Motorkonzepten mit hohem thermodynamischem Wirkungsgrad reicht bei niedrigen Lastzuständen im allgemeinen die Abwärme aus dem Kühlwasser nicht mehr für die Fahrzeugbeheizung aus.

Um bei niedrigen Außentemperaturen eine ausreichende Heizleistung zur Verfügung stellen zu können, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Möglichkeiten bekannt, zusätzli­ che Heizleistung bereitzustellen.

So sind mit Kraftstoff betriebene Zusatzheizungen allgemein bekannt, die eine eigene Brennstelle und ein eigenes Abgassystem voraussetzen. Der Vorteil solcher Anordnungen ist es, daß sie auch als Standheizung betrieben werden können, nachteilig ist jedoch, daß insbesondere in der Aufwärmphase überproportional viel Schadstoffe emittiert werden.

Bekannt geworden sind auch elektrische Zusatzheizungen, auch als Glühkerzenheizung bekannt, bei denen im Bedarfsfalle aus dem Dieselmotorenbereich bekannte Glühkerzen nach Art eines Tauchsieders das Kühlwasser der Brennkraftmaschine zusätzlich erhitzen. Ein solches Konzept setzt voraus, daß die Lichtmaschine der Brennkraftmaschine größer als bisher notwendig dimensioniert wird, mit den entsprechenden Nachteilen für Gewicht und Reibleistung.

Bekannt geworden sind auch spezielle im Abgasstrang angeordnete Wärmetauscher, bei­ spielsweise aus der DE-PS 31 03 198 C2. Solche Wärmetauscher haben den Nachteil eines hohen Bauaufwandes wodurch das Gesamtfahrzeug im Verhältnis zu der durch den guten Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine realisierten Kraftstoffminderverbrauch un­ verhältnismäßig verteuert wird.

Die baulich einfachsten Konzepte sehen vor, im Abgasstrang der Brennkraftmaschine eine Drossel anzuordnen, so daß die Last der Brennkraftmaschine und damit die an das Kühl­ wasser abgegebene Verlustleistung künstlich erhöht werden kann. Dabei sind kontinuierlich einstellbare Abgasdrosseln bekannt geworden, beispielsweise aus der DE-OS 35 37 675 A1. Bei der aus diesen Stand der Technik bekannten Abgassystem betätigt eine pneumatische Stellvorrichtung eine Abgasdrossel, die kontinuierlich aus einer völlig geöff­ neten Stellung in eine geschlossene Stellung bewegt werden kann, wobei der Drosselgrad kontinuierlich zunimmt. Die Regelung der Stellung der Drosselklappe wird über den Abgas­ gegendruck als Regelgröße bewirkt. An dieser Bauweise ist nachteilig, daß für die pneuma­ tische Stellvorrichtung zahlreiche feinmechanische und damit teure und störungsanfällige Bauteile notwendig sind, und daß die Temperaturen und Abgasvolumina im Abgassystem Schwankungen ausgesetzt sind, die in der Praxis dazu führen, daß die Regelung nicht genau genug arbeitet.

Aus der DE-OS 36 03 378 A1 ist ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der eine Hauptabgasleitung und eine Nebenschluß-Abgasleitung parallel zueinander angeordnet sind. In der Hauptabgasleitung ist eine Abgasdrossel angeordnet, die im Teil­ lastbereich zwischen einer geöffneten Stellung und einer vollständig die Hauptabgasleitung verschließenden Stellung verschwenkt werden kann. Wenn die Hauptabgasleitung gesperrt ist, werden die Abgase so in die Nebenschluß-Abgasleitung gezwungen. In dieser ist ein Regelventil angeordnet, dem als Regelgröße der Abgasgegendruck vor einem ebenfalls in der Nebenschluß-Abgasleitung angeordneten Wärmetauscher zugeführt wird. Um eine entsprechende Druckkammer des Regelventils mit dem Abgasgegendruck vor dem Wärmetauscher beaufschlagen zu können, ist eine Druckleitung vorgesehen. Neben dem hohen baulichen Aufwand, der das aus diesem Stand der Technik bekannte Abgassystem verteuert, ist nachteilig, daß im Abgas enthaltene Wasseranteile in der Druckleitung aus­ kondensieren. Bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise wenn ein Kraftfahrzeug im Winter nachts im Freien abgestellt ist, kann es daher zu einem Zufrieren der Druckleitung kommen, so daß das Abgassystem nicht ordnungsgemäß arbeitet und die angestrebte zusätzliche Heizleistung daher nicht bereitgestellt wird. Die besondere bauliche Anordnung gemäß der DE-OS 36 03 378 A1 ist bei einem Zufrieren der Druckleitung darüber hinaus unter Umständen vollständig blockiert, da im Teillastbereich die in der Hauptabgasleitung angeordnete Drosselklappe bei niedrigen Kühlwassertemperaturen geschlossen ist, wäh­ rend die Nebenschluß-Abgasleitung durch das in dieser angeordnete Regelventil ver­ schlossen ist. Steigender Abgasdruck führt bei der aus diesem Stand der Technik bekann­ ten konstruktiven Ausführungsform eines Regelventils dazu, daß der Ventilteller stärker auf den Ventilsitz gepreßt wird, so daß auch die Nebenschluß-Abgasleitung ver­ schlossen ist. Unter Umständen kann daher die Brennkraftmaschine nicht gestartet werden, so daß der Fahrer eines solcher Art ausgestatteten Fahrzeuges unter Umständen nicht nur Komforteinbußen durch einen zu kalten Innenraum hinnehmen muß, sondern unter Umständen das Fahrzeug gar nicht benutzen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, das die benötigte Zusatzheizleistung bei niedrigen Temperaturen mit geringerem baulichen Aufwand als bis­ her bekannt bereitstellt und darüber hinaus äußerst betriebssicher ist.

Die Lösung der Aufgabe ist bei einem gattungsgemäßen Abgassystem für eine Brenn­ kraftmaschine dadurch gekennzeichnet, daß das in der Nebenschlußleitung angeordnete Ventil ein Druckbegrenzungsventil ist.

Dabei kann vorteilhafterweise zur Einsparung von Baukosten wahlweise auf den aus dem Stand der Technik bekannten, in der Nebenschluß-Abgasleitung angeordneten Wärme­ tauscher verzichtet werden. Bei weiter steigenden Energiepreisen kann es jedoch auch wirtschaftlich vorteilhaft sein, einen höheren Wirkungsgrad durch einen zusätzlichen, in der Nebenschluß-Abgasleitung angeordneten Wärmetauscher anzustreben, dabei kann das Druckbegrenzungsventil strömungsbezogen sowohl vor als auch nach dem Wärmetauscher angeordnet werden.

Bei beiden Varianten zeichnet sich die erfindungsgemäße Ausführung eines Abgassyste­ mes durch eine sehr einfache Konstruktion aus, die niedrige Gestehungskosten aufweist und höchst betriebssicher ist. Da das Druckbegrenzungsventil bei Überschreiten eines bestimmten, vorher durch entsprechende Konstruktionsparameter festlegbaren Druckes in jedem Fall öffnet, kann das geschilderte Problem, das die gesamte Vorrichtung durch ver­ eisende Kondensate funktionsunfähig gemacht wird, nicht auftreten.

Bevorzugt ist vorgesehen, das Druckbegrenzungsventil in Form eines Tellerventils aus­ zubilden. Dabei kann die Kennlinie durch Auswahl entsprechender Konstruktionsparameter so gestaltet werden, daß unabhängig von dem Teillastzustand der Brennkraftmaschine ein konstanter Gegendruck in der Nebenschluß-Abgasleitung für die Abgase gewährleistet ist. Bei Verwendung eines zusätzlichen, in der Nebenschluß-Abgasleitung angeordneten Wärmetauschers läßt sich die konstruktive Gestaltung des Wärmetauschers in strömungs­ technischer Hinsicht so auf ein bestimmtes Druckverhältnis hin optimieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispieles näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Abgassystems, und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Druck­ begrenzungsventils im Abgassystem einer Brennkraftmaschine.

Fig. 1 zeigt zunächst eine Brennkraftmaschine 10 mit einer Hauptabgasleitung 12. Die Abgase der Brennkraftmaschine durchströmen einen in der Hauptabgasleitung angeordne­ ten Oxidationskatalysator 14 und einen Abgasschalldämpfer 16, bevor sie durch den Aus­ puff 18 in die Umgebung entweichen.

In der Hauptabgasleitung 12 ist eine Abgasdrossel 20 angeordnet, mit der die Hauptabgas­ leitung 12 vollständig verschlossen werden kann. Die Abgasdrossel 20 wird über eine schematisch dargestellte Unterdruckdose 22 betätigt, die ihren Unterdruck über eine Unter­ druckleitung 24 erhält. In der Unterdruckleitung 24 ist ein elektrisch gesteuertes Magnet­ ventil 26 angeordnet.

Wird ein Schalter 28 geschlossen, so fließt über die Leitung 30 ein Erregerstrom durch das Solenoid des Magnetventils 26, das daraufhin öffnet. Die freigeschaltete Unterdruckleitung 24 wirkt auf die Unterdruckdose 22 ein, die über eine mechanische Verbindung die Abgas­ drossel 20 in ihre Schließstellung bringt, so daß die Hauptabgasleitung 12 versperrt ist.

Das im Betrieb von der Brennkraftmaschine 10 kommende Abgas wird nun über eine Nebenschlußleitung 32 um die Abgasdrossel 20 herumgeleitet. In der Nebenschlußleitung 32 ist das erfindungsgemäße Druckbegrenzungsventil 34 und ein Wärmetauscher 36 angeordnet.

Übersteigt der Abgasgegendruck den Kennwert des Druckbegrenzungsventils 34, so öffnet dieses, so daß die Abgase durch die Nebenschlußleitung 32 und den Wärmetauscher 36 zum Abgasschalldämpfer 16 fließen können.

Der Kennwert des Druckbegrenzungsventils 34 ist dabei etwa 0,5 bar höher eingestellt, als der Abgasgegendruck, der sich in der Hauptabgasleitung bei geöffneter Drossel 20 ergibt. Auf diese Weise wird der Motor mit einer zusätzlichen Last beaufschlagt, wobei die zusätz­ lich erzeugte Verlustleistung einerseits direkt das Kühlwasser aufheizt, andererseits auf das Abgas übergeht. Das zusätzlich erhitzte Abgas gibt einen Teil seiner Wärme im Wärme­ tauscher 36 an das durch den Kühlwasserkreislauf 38 fließende Kühlwasser ab.

Auf diese Weise wird mit einfachen konstruktiven Merkmalen eine Zusatzheizung geschaf­ fen, die nur zu einem vergleichsweise geringen Mehrverbrauch führt. Das Kühlwasser wird von einer Kühlwasserpumpe 40 durch den Kühlwasserkreislauf 38 getrieben. Im Kühl­ wasserkreislauf 38 ist ein Thermoschalter 42 angeordnet, der den Erregerstromkreis 30 unterbricht, sobald das Kühlwasser des Motors eine für die Beheizung des Fahrzeugs aus­ reichende Temperatur angenommen hat. Sobald der Temperaturschalter 42 öffnet, schließt das Magnetventil 26 die Unterdruckleitung 24, woraufhin die federbelastete Unterdruckdose 22 und damit die Abgasdrossel 20 in ihre Offenstellung zurückgeschwenkt werden.

Die Brennkraftmaschine arbeitet nun wieder mit dem niedrigeren Abgasgegendruck, der sich bei freiem Hauptabgasweg durch die Hauptabgasleitung 12 ergibt, d. h. sobald keine zusätzliche Verlustleistung für Zwecke der Fahrzeugbeheizung erzeugt werden muß, arbei­ tet die Brennkraftmaschine mit dem hohen thermischen Wirkungsgrad, für den sie aus­ gelegt wurde.

Im Erregerstromkreis 30 für das Magnetventil 26 ist zusätzlich ein Schalter 44 angeordnet, der auch als Lastbegrenzungsschalter bezeichnet wird. Dieser kann beispielsweise mit einem E-Gas oder einer Einspritzpumpe gekoppelt sein und unterbricht den Erregerstrom­ kreis 30 des Magnetventils 26, sobald der Fahrer durch Niedertreten des Fahrpedals Vollastwunsch, d. h. maximale Leistung der Brennkraftmaschine signalisiert. In diesem Fall wird die Abgasdrossel 20 im Hauptabgasstrang 12 unverzüglich in ihre Offenstellung gedreht, so daß die Brennkraftmaschine ohne künstlich erzeugten Abgasgegendruck volle Leistung abgeben kann. Dies ist beispielsweise für Überholvorgänge wichtig.

Fig. 2 zeigt eine konstruktive Auslegung des erfindungsgemäßen Druckbegrenzungs­ ventils 34. Das Druckbegrenzungsventil 34 besteht im wesentlichen aus einem Tellerventil 46, dessen Dichtkante 48 im Ruhezustand durch eine Feder 50 auf ein Ventilsitz 52 gedrückt wird. Der Ventilsitz 52 kann beispielsweise im zur Nebenschlußleitung 32 führen­ den Krümmer 54 ausgebildet sein. Wird die in der Hauptabgasleitung 12 angeordnete Abgasdrossel 20 geschlossen so drücken die Abgase gegen den Teller des Tellerventils 46 und heben es vom Sitz 52 ab, bis die auf die Unterseite des Tellers des Tellerventils 46 wirkenden, durch das Abgas erzeugten Druckkräfte sich die Waage halten mit den durch die Feder 50 erzeugten Rückstellkräften. Steigt der Abgasstrom an, so kann das Tellerventil 46 weiter öffnen, so daß der eingestellte Abgasgegendruck, den die Brennkraftmaschine "sieht" im wesentlichen konstant gehalten werden kann.

Bezugszeichenliste

10 Brennkraftmaschine
12 Hauptabgasleitung
14 Oxidationskatalysator
16 Abgasschalldämpfer
18 Auspuff
20 Abgasdrossel (in 12)
22 Unterdruckdose
24 Unterdruckleitung
26 Magnetventil
28 Schalter
30 Erregerstromkreis
32 Nebenschluß-Abgasleitung
34 Druckbegrenzungsventil
36 Abgaswärmetauscher
38 Kühlwasserkreislauf
40 Kühlwasserpumpe
42 Thermoschalter
44 Lastbegrenzungsschalter
46 Tellerventil
48 Dichtkante (von 46)
50 Feder
52 Ventilsitz
54 Krümmer

Claims (5)

1. Abgassystem für eine Brennkraftmaschine (10), mit einer Hauptabgasleitung (12) und einer Nebenschluß-Abgasleitung (32), mit einer bei niedriger Maschinenlast (Teillast) in ihre Wirkstellung bewegbaren, die Hauptabgasleitung (12) verschließen­ den Abgasdrossel (20), und einem in der Nebenschlußleitung (32) angeordnetem Ventil, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil ein Druckbegrenzungsventil (34) ist.

2. Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Neben­ schluß-Abgasleitung (32) ein Wärmetauscher (36) angeordnet ist, der auf der Niedrigtemperaturseite von dem Kühlwasser der Brennkraftmaschine (10) durch­ flossen wird.

3. Abgassystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckbegren­ zungsventil (34) strömungsbezogen in der Nebenschlußleitung (32) sowohl vor dem Wärmetauscher (36) als auch nach dem Wärmetauscher angeordnet sein kann.

4. Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Druckbegrenzungsventil (34) ein Tellerventil (46) ist.

5. Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Druckbegrenzungsventil (34) eine Kennlinie aufweist, die unabhängig von dem Teillastzustand der Brennkraftmaschine (10) einen konstanten Gegendruck in der Nebenschlußleitung (32) gewährleistet.